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【石墨 】
        
 【石墨】 石墨换热器的优点、分类,设计基础知识以及发展趋势
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 详细说明:  2009/6/9 6:54:03  关注:5687

换 热 器

戴佐峰

  [关键词]换热器,管壳式换热器,板式换热器,石墨换热器

   [摘要]简要介绍了换热器的历史、分类及设计基础知识,详细阐述了管式换热器的结构特点及制造工艺、质量检验、安装注意事项;以及石墨换热器的优点、分类、设计基础知识和发展趋势。

1.综述

换热器,又称热交换器。它是实现工艺过程中热量交换和传递不可缺少的设备。在石油、化工、轻工、制药、能源等工业生产中,经常需要把高温流体冷却或者把低温流体加热,把液体汽化成蒸汽或者把蒸汽冷凝成液体,这些与热量传递有着密切联系的过程均可以通过换热器来完成。

换热器的应用广泛,日常生活中取暖用的暖气散热片、汽轮机装置中的凝汽器和航天火箭上的油冷却器都是换热器。它既可以是单台设备,如加热器、冷却器和凝汽器等;也可以是某一工艺设备的组成部分,如氨合成塔内的热交换器等。其主要功能是保证工艺过程对介质所要求的特定温度,同时也是提高能源利用率的主要设备之一。

  2.换热器的历史

由于制造工艺和科学水平的限制,早期的换热器只能采用简单的结构,而且传热面积小、体积大和笨重,如蛇管式换热器等。随着制造工艺、技术的发展,逐步形成一种管壳式换热器,它不但具有较大的传热面积,而且传热效果也较好,长期以来在工业生产中发展成为一种典型的换热器。

上世纪20年代出现板式换热器,并应用于食品工业。以板代管制成的换热器,结构紧凑,传热效率高,陆续发展为多种形式。30年代初,瑞典首次制成螺旋板式换热器。接着英国用钎焊法制造出一种用于飞机发动机的散热的由铜及其合金材料制成的板翅式换热器。30年代末,瑞典又制造出第一台用于纸浆工厂的板壳式换热器。为了解决强腐蚀性介质的换热问题,人们在此期间对新型材料制成的换热器开始注意。  60年代左右,由于空间技术和尖端科学的迅速发展,迫切需要各种高效能紧凑型的换热器,再加上冲压、钎焊和密封等技术的发展,换热器制造工艺得到进一步完善,从而推动了紧凑型板面式换热器的蓬勃发展和广泛应用。此外,自60年代开始,为了适应高温和高压条件下的换热和节能的需要,典型的管壳式换热器也得到了进一步的发展。70年代中期,为了强化传热,在研究和发展热管的基础上又创制出热管式换热器。

3.换热器的分类

换热器按传热方式的不同可分为混合式、蓄热式和间壁式三类。

3.1混合式换热器

是通过冷、热流体的直接接触、混合进行热量交换的换热器,又称接触式换热器。由于两流体混合换热后必须及时分离,这类换热器适合于气、液两流体之间的换热。例如,化工厂和发电厂所用的凉水塔中,热水由上往下喷淋,而冷空气自下而上吸入,在填充物的水膜表面或飞沫及水滴表面,热水和冷空气相互接触进行换热,热水被冷却,冷空气被加热,然后依靠两流体本身的密度差得以及时分离。

3.2蓄热式换热器

是利用冷、热流体交替流经蓄热室中的蓄热体(填料)表面,从而进行热量交换的换热器,如炼焦炉下方预热空气的蓄热室。这类换热器主要用于回收和利用高温废气的热量。以回收冷量为目的的同类设备称蓄冷器,多用于空气分离装置中。

3.3间壁式换热器

是冷、热流体被固体间壁隔开,并通过间壁进行热量交换的换热器,又称表面式换热器。该类换热器应用最广。

  间壁式换热器根据传热面的结构不同可分为管式、板面式和其他型式。管式换热器以管子表面作为传热面,包括蛇管式换热器、套管式换热器和管壳式换热器(包括固定管板管式换热器、浮头管式换热器、管箱管式换热器、浮动盘管式管式换热器等及某些特殊行业使用的管式非标换热器)等;板面式换热器以板面作为传热面,包括板式换热器(包括等截面、不等截面板式换热器、宽通道板式换热器、窄通道板式换热器、钎焊式板式换热器)、螺旋板式换热器(包括可拆式螺旋板式换热器和不可拆式螺旋板式换热器)、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板式换热器等;其他型式换热器是为满足某些特殊要求而设计的换热器,如刮面式换热器、转盘式换热器和空气冷却器等。

4.工艺设计基础

4.1材料

换热器一般都用金属材料制成,其中碳素钢和低合金钢大多用于制造中、低压换热器;工艺介质为腐蚀性、氧化性很强的物料,可以用不锈钢、钛、钽、锆等金属材料或石墨、陶瓷、玻璃等非金属材料制成。其中,一般不锈钢(如:1Cr18Ni9Ti等)主要用于某些腐蚀条件,特殊不锈钢(如:316L等)可作为耐高、低温的材料;不锈钢不耐含C1-腐蚀性介质,易产生晶间腐蚀。用钛、钽、锆等稀有金属制成的换热器价格过于昂贵;铜、铝及其合金多用于制造低温换热器(如水箱等);镍合金则用于高温条件下(如烧碱蒸发器等);用石墨、陶瓷、玻璃等材料制成的换热器具有非金属材料特点,如玻璃有易碎、体积大、导热差等缺点,由非金属材料制作成的耐蚀换热器,如石墨换热器、氟塑料换热器和(搪)玻璃换热器等可应用于某些特殊场合。

4.2工艺设计基础

换热器传热速度方程:Q=K·F·Δtm,式中:Q—传热速度,W;F—传热面积,m2;Δtm—换热器的对数平均温差,℃;K—传热系数,W/ m2·K。

换热器中流体的相对流向一般有顺流和逆流两种。顺流时,入口处两流体的温差最大,并沿传热表面逐渐减小,至出口处温差为最小。逆流时,沿传热表面两流体的温差分布较均匀。在冷、热流体的进出口温度一定的条件下,当两种流体都无相变时,以逆流的平均温差(Δtm)最大、顺流最小。

  在完成同样传热量的条件下,采用逆流可使平均温差增大,换热器的传热面积减小;若传热面积不变,采用逆流时可使加热或冷却流体的消耗量降低。前者可节省设备费,后者可节省操作费,故在设计或生产使用中应尽量采用逆流换热。

当冷、热流体两者或其中一种有物相变化(沸腾或冷凝)时,由于相变时只放出或吸收汽化潜热,流体本身的温度并无变化,因此流体的进出口温度相等,这时两流体的温差就与流体的流向选择无关。除顺流和逆流这两种流向外,还有错流和折流等流向。

  降低间壁式换热器中的热阻,是传热过程中提高传热系数的一个重要措施。热阻主要来源于间壁两侧粘滞于传热面上的流体薄层(称为边界层)和换热器使用中在壁两侧形成的污垢层,金属壁的热阻相对较小。  增加流体的流速和扰动性,可减薄边界层,降低热阻提高给热系数。但增加流体流速会使能量消耗增加,故设计时应在减小热阻和降低能耗之间作合理的协调。为了降低污垢的热阻,可设法延缓污垢的形成,并定期清洗传热面。

5.金属制管式换热器的结构特点、制造工艺、质量检验及安装注意事项

5.1金属制管式换热器

浮头式换热器的一端管板与壳体法兰固定,而另一端的管板可在壳体内自由浮动,在温差应力作用下,壳体和管束对膨胀是自由的,管束较容易的插入或抽出壳体。浮头端可设计成可拆或不可拆结构。浮头式换热器结构简单、紧凑、便于制造、检修清洗方便。

  换热管构成换热器的传热面,管子材质选择应根据介质的压力、温度及腐蚀性、是否结垢等工艺情况来确定。大直径管子一般地用于粘性大或者污浊、易结垢的流体,小直径的管子用于较清洁的流体。根据工艺条件的不同,可采用光管、内(外)螺旋管、翅片管等形式。

  换热管在管板上的标准排列形式有四种:正三角形和转角正三角形排列,适用于壳程介质清洁,且不需要进行机械清洗的场合。正方形和转角正方形排列,能够使管间的小桥形成一条直线通道,便于用机械进行清洗,一般用于管束可抽出管间清洗的场合。

   多管程换热器,为便于安排隔板位置,程间则常常采用正方形排列,每一程中一般都采用正三角形排列,并在对应两端管箱中分别安置一定数量的隔板。

  管板上换热管中心距的选择既要考虑结构的紧凑性、传热效果,又要考虑管板的强度和清洗管子外表面所需的空间。一般采用的换热管的中心距不小于管子外径的1.25倍。

  5.2制造工艺

  选取换热设备的制造材料及牌号,进行材料的化学成分检验及机械性能合格后,对钢板进行矫形,方法包括手工矫形,机械矫形及火焰矫形。工艺如下:

  备料—划线—切割—边缘加工(探伤)—成型—组对—焊接—焊接质量检验—组装焊接—压力试验

  5.3质量检验

  化工设备(大部分归为压力容器范畴)不但在制造前要对原材料进行检验,而且在制造过程中要随时进行检查。

  质量检验内容和方法:

  设备制造过程中的检验,包括原材料的检验、工序间的检验及压力试验,具体内容如下:

  (1)原材料和设备零件尺寸和几何形状的检验;

  (2)原材料和焊缝的化学成分分析、力学性能分析试验、金相组织检验,总称为破坏试验;

  (3)原材料和焊缝内部缺陷的检验,其检验方法是无损检测,它包括:射线检测、超声波检测、磁粉检测、渗透检测等;

  (4)设备试压,包括:水压试验、介质试验、气密试验等。

  耐压试验和气密性试验:

  制造完工的换热器应对换热器管板的连接接头,管程和壳程进行耐压试验或增加气密性试验,耐压试验包括水压试验和气压试验。换热器一般进行水压试验,但由于结构或支撑原因,不能充灌液体或运行条件不允许残留试验液体时,可采用气压试验。

  如果介质毒性为极度,高度危害或管、壳程之间不允许有微量泄漏时,必须增加气密性试验。换热器压力试验的顺序如下:

  固定管板换热器先进行壳程试压,同时检查换热管与管板连接接头,然后进行管程试压;

  U形管式换热器、釜式重沸器(U形管束)及填料函式换热器先用试验压环进行壳程试压,同时检查接头,然后进行管程试压;

  浮头式换热器、釜式重沸器(浮头式管束)先用试验压环和浮头专用工具进行管头试压,对于釜式重沸器尚应配备管头试压专用壳体,然后进行管程试压,最后进行壳程试压;

  重叠换热器接头试压可单台进行,当各台换热器程间连通时,管程和壳程试压应在重叠组装后进行。

  5.4安装注意事项

  换热器的基础必须牢固,就位后需用水平仪对换热器找平,使各接管在不受附加应力的情况下连接管道。找平后,斜垫铁可与支座焊牢,但不得与下面的平垫铁或滑板焊死。当两个以上重叠式换热器安装时,应在下部换热器找正完毕,并且地脚螺栓充分固定后,再安装上部换热器。

  换热器的两端应留有足够的空间来满足操作清洗、维修等需要。浮头式换热器的固定头盖端应留有足够的空间以便能从壳体内抽出管束,外头盖端必须也留出一米以上的位置以便装拆外头盖和浮头盖。  固定管板式换热器的两端应留出足够的空间以便能抽出和更换管子。并且用机械法清洗管内时,要求两端都可对管子进行刷洗操作。U形管式换热器的固定头盖应留出足够的空间以便抽出管束,也可在其相对的一端留出足够的空间以便能拆卸壳体。

  换热器不得在超过铭牌规定的条件下运行。应经常对管、壳程介质的温度及压降进行监督,分析换热管的泄漏和结垢情况。管壳式换热器与其它类型设备相比,换热管与腐蚀介质接触的表面积较大,发生腐蚀穿孔或结合处松弛泄漏的危险性很高,因此对换热器的防腐蚀和防泄漏的方法必须多加考虑。当换热器用循环水冷却时,水中的溶解物在加热后,大部分溶解度都会有所提高,由于水的蒸发,使盐类浓缩,产生沉积或污垢。又因水中含有腐蚀性溶解气体及氯离子等引起设备腐蚀,腐蚀与结垢交替进行,激化了钢材的腐蚀。因此必须根据生产装置的特点及换热介质的性质、腐蚀速度及运行周期等情况定期进行检查,维护或清洗。

   6. 石墨换热器的优点、分类,设计基础知识以及发展趋势(请VIP会员登录查看以下详细内容)


 
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